節水防污型農田水利系統方案設計及應用研究

魏保興，李桂新，甘 幸，崔遠來，萬玉文,

(1.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023；2.廣西壯族自治區水利廳，南寧 530023；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

近年來，隨著農業集約化程度不斷提高，農業面源污染已成為我國水環境污染的主要來源。我國《2010年第一次全國污染源普查公報》顯示，2007年由農業形成的總氮、總磷排放量占污染物排放總量的57.2%、67.4%。農業面源污染中，種植業總氮和總磷的流失量占流失總量的33.8%和25.7%，分別達到159.78和10.87萬t，而稻田面源污染在農田面源污染中占有重要比例[1]，農業面源污染逐漸成為制約我國現代農業和經濟社會可持續發展的重大障礙。因此，開展農業面源污染物削減研究，對于降低農業面源污染、保障水環境安全具有重要的戰略意義。

國內外大量的學者針對農業面源污染治理進行了研究，茆智等在水稻節水減污研究中提出了在薄淺濕曬和間歇淹水模式下，銨態氮流失量分別減少27.7%和21.4%重要結論[2]，Borin等在人工濕地處理農田排水的問題中指出濕地對氮的去除率達到了90%[3]，姜翠玲研究發現生態溝對總氮的去除率為21%[4]，Kr?ger等的研究結果表明排水溝最大能夠截留農田排水中磷元素的47%[5]。但上述研究均為單一從稻田、人工濕地或生態溝角度來研究處理農業面源污染，缺乏有機的協調統一，為此，茆智院士又提出“四道防線”農田水利系統以降解農業面源污染[6]。為進一步分析和驗證“四道防線”節水防污型農田水利系統的構建模式(如圖1所示)及其作用效果，本文以稻田的面源污染為研究主要對象，在廣西桂林市青獅潭灌區和桂林灌溉試驗中心站開展了為期兩年的對比研究。通過“四道防線”協同運行對面源污染進行綜合處理，以期系統上解決稻田面源污染難題。

圖1 “四道防線”節水防污型農田水利系統

1 “四道防線”節水防污型農田水利系統理論

(1)田間水肥綜合調控(第一道防線)。我國稻田化肥與農藥使用量大且利用率比例低，氮肥的利用率只有30%～35%，農藥的利用率不超過5%[7]。作為從源頭上減少面源污染物排放的重要管理措施，田間水肥綜合調控通過“淺、濕、曬”三結合灌溉、間歇灌溉、中后期無水層灌溉[2]等方式，減少了排入自然水體的農業用水量，與傳統的長期淹灌技術相比，淺濕灌、間歇灌與中后期無水層灌溉的灌溉用水量可分別降低8%～19%、13%～25%與30%～50%，多數情況下最大節水在20%～30%范圍內[2]。同時，稻田節水灌溉減少了氮、磷流失，據統計流失的氮、磷負荷的削減幅度達20%～40%[8]，減輕了因化肥隨水流入自然水體而導致的自然水體富營養化問題，也實現了從源頭上減少面源污染物排放的目的。

(2)田間草溝(第二道防線)。田間草溝是指種有適宜野生植被的地表排水溝渠。由稻田排出的氮、磷等面源污染首先進入田間草溝，經田間草溝滯留、植物過濾和滲透的作用，氮、磷等面源污染得以有效去除，實現養分再利用，減少水體污染物質。田間草溝對總氮、總磷、硝態氮和銨態氮均具有不同程度的凈化效果，其中總磷和總氮的去除率分別達到了51.6%和37.8%，對硝態氮和銨態氮的去除率也分別達到了49.9%和35.5%[9]。

(3)濕地(第三道防線)。濕地技術是20世紀70年代末發展起來的一種水生態處理新技術。具有良好的污染物去除和生態修復功能，由于其建設和運行費用低、處理效果好，而得到廣泛應用。濕地主要是通過濕地基質、水生植物和微生物之間物理的、化學的和生物的一系列相互作用去除總氮、總磷等面源污染物。水生植物是濕地的核心之一，李林峰[10]等對人工濕地中植物對氮、磷吸收能力的研究表明，有水生植物的濕地對總氮、總磷的去除率分別高達59.1%和62.8%。李躍勛[11]等對滇池流域農業面源污染研究中發現，濕地對總氮、銨態氮、總磷的去除率分別達到40.37%、56.76%、35.34%。武漢大學水利系農業水管理研究組于2006、2007年在廣西桂林、湖北荊門共4個小型濕地進行總氮、總磷等去除情況進行研究，結果表明田間排水經過濕地總氮下降35%～52%，總磷下降27%～35%[8]。因此，含氮、磷等面源污染物的排水經濕地凈化后，總氮、總磷得以進一步去除。

(4)骨干生態溝(第四道防線)。骨干生態溝通過對現有溝渠的生態改造和功能強化，利用物理、化學和生物的多重作用對農業面源主要污染物氮、磷進行凈化和處理，實現污染物中氮、磷等的減量化排放或最大化去除[12]。在溝渠中的植物帶可以減緩水流的速度、增加滯留時間，提高植物對養分的利用時間，增強水體的自凈能力。骨干生態溝對排水中總氮、銨態氮的去除效果較好，取樣時段平均去除率分別達到54.5%、43.7%[9]。徐紅燈等[13]選取長350 m的農田排水溝渠，研究了自然次暴雨條件下溝渠對農田排水總氮、總磷的去除效果，總氮的去除率為40%～70%，對總磷的去除率為20%～80%。骨干生態溝進一步實現了總氮、總磷的去除。

2 節水防污型農田水利系統應用研究

基于“四道防線”理論，并根據我國南方水稻灌區氣象、地形、灌排系統以及水稻種植方式等的不同，2013-2014年選取廣西桂林市青獅潭灌區將田間水肥綜合調控、田間草溝、濕地、骨干生態溝串聯起來，實地建立了一套完整的節水防污型農田水利系統(見圖2)，開展應用研究。

圖2 節水防污型農田水利系統試驗區示意圖

青獅潭灌區位于廣西北部桂林市境內，屬亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫18.8 ℃，全年降雨豐沛，多年平均降雨量為1 897 mm，屬水稻和蔬菜的高產區，每年種植早、晚兩季水稻，早稻(4-7月)和晚稻(7-10月)。灌區地勢較為平坦，試驗區選在桂林灌溉試驗中心站外稻田，面積約為4.667 hm2，灌溉水源取自桂林市清獅潭水庫西干渠。

2.1 第一道防線布置

試驗區選擇面積為883和609 m2兩畦稻田作為2個樣板田，分別代表兩個不同的水肥綜合調控模式。樣板田1采用W1N1F1處理，樣板田2采用W2N1F2處理，示范第一道防線的凈化效果。為充分驗證第一道防線的凈化效果，在桂林灌溉試驗中心站內同步開展水肥綜合調控對比試驗，共設置18個試驗小區，開展6個處理，3次重復，試驗分為常規灌溉W1和間歇灌溉W2，每個小區的尺寸為5 m×15 m，每個小區面積為75 m2，如圖3所示。試驗設計處理表，如表1所示，其中W1N1F1為當地常規的水肥管理方式。

表1 站內試驗小區處理設計

注：W1為傳統淹灌模式；W2為間歇灌溉；N0為不施氮肥；N1為氮肥180 kg/hm2；F1為氮肥分2次施肥，即基肥50%，移栽后10 d 50%的分蘗肥，匯同除草劑一起施用，即氮肥施肥比基肥∶蘗肥=5∶5，該模式與當地農民的模式相同；F2為氮肥分4次施肥，即基肥30%，移栽后10～12 d 30%的分蘗肥，移栽后35～40 d 30%的拔節肥，移栽后60～65 d 10%的穗肥，即氮肥施肥比基肥∶蘗肥∶拔節肥∶穗肥=3∶3∶3∶1。

圖3 桂林灌溉試驗中心站內試驗小區

2.2 第二道防線布置

試驗區稻田排出的水量直接流入田間草溝，溝內主要為當地野生的野苦麻、水花生、辣草、水草等植物。田間草溝長96.5 m，試驗初期采用寬0.2 m，深0.25 m矩形斷面，縱坡1/2 000，但由于溝壁直立，不適宜植物生長，同時渠道縱坡太緩，導致流速過小，影響試驗效果。為此，試驗中后期，將田間草溝修改為上寬0.3 m，底寬0.2 m，深0.25 m梯形斷面，縱坡1/1 000，如圖4所示。進入和排出田間草溝的水量由設在進、出口三角堰量測，試驗期間每日觀測進、出口過堰水深，并計算進、出水量(Q2進、Q2出)。水稻各生育期的氮、磷濃度由進、出口水樣實際采樣測定，灌溉、降雨及排水前后增加采樣量測次數。

圖4 田間草溝橫斷面圖(單位：cm)

2.3 第三道防線布置

濕地由面積分別為225和193 m2相互連通的兩塊塘堰組成，平均水深0.45 m。濕地與承接排水的稻田面積比為1∶14，主要種植美人蕉、茭白、蓮藕、睡蓮等水生植物，種植密度為7～8株/m2，并定期檢查。為保證污染物在濕地中沉降和吸附吸收，提高凈化效果，濕地縱斷面結構按照前部淺、中部深、后部淺布置。進入和排出濕地的水量，由設置在濕地進出口的三角堰量測，試驗期間每日觀測進、出口過堰水深，并計算進、出水量(Q3進、Q3出)。降雨或集中灌溉后2 h內須加測1次。水稻各生育期的氮磷濃度由進、出口水樣實際采樣測定且不少于1次，灌溉、降雨及排水前后增加采樣量測次數。

2.4 第四道防線布置

濕地后串聯骨干生態溝，對濕地的排水再次凈化。試驗中采用天然排水斗溝，全長102 m，基本橫斷面為梯形，上寬2 m，底寬1.2 m，深1.2 m，平均水深1 m，縱坡1/2 000，如圖5所示。溝中生長的植物主要為水花生、辣草、水葫蘆。在骨干生態溝進、出口處設矩形量水堰，試驗期間每日觀測進、出口過堰水深，并計算進、出水量(Q4進、Q4出)。水稻各生育期的氮、磷濃度由進、出口水樣實際采樣測定，灌溉、降雨及排水前后增加采樣量測次數。

圖5 骨干生態溝橫斷面圖(單位：cm)

3 “四道防線”主要觀測內容和應用效果

桂林灌溉試驗中心站內試驗小區在2013年早稻期間開始建設，于2013年晚稻期間投入試運行，因此在站內試驗區，2013和2014年共開展了三期水稻的水肥管理試驗。外部的青獅潭灌區示范區于2013年晚稻期間開始建設，在2014年早稻期間投入運行，共開展了2014年早稻和晚稻兩期試驗。本文以2014年早稻為對象進行典型研究。

3.1 主要觀測內容

觀測分析和檢測指標包括水量平衡要素和營養物指標。水量平衡要素：降雨量、灌溉量、排水量、蒸發蒸騰量、滲漏量、土壤儲水變化量；營養物指標：排水以及滲漏水中氮磷濃度，保證水稻各生育期進行采集化驗，視具體情況(如遇降雨)進行加測，降雨若有排水則雨后0.5 h立即取樣，取徑流峰值。

結合水稻生育期在各小區采集排水及田面水進行氮磷濃度化驗，各試驗小區用采取水樣1個，測氮、磷濃度，包括：總氮、銨態氮、總磷。遇降雨或灌溉后1 d進行加測。保證每水稻生育期進行測取化驗，視具體情況(如遇降雨、灌溉)進行加測。采集水樣分析指標和方法為：總氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定，銨態氮用納氏試劑比色法(GB7479-87)測定，總磷用鉬酸氨分光光度法(GB11893-89)測定。

3.2 應用效果

3.2.1第一道防線——田間水肥綜合調控

2013-2014年在桂林灌溉試驗中心站內對18個試驗小區開展水肥綜合調控對比試驗。氮肥底肥為碳酸氫銨，追肥為尿素。磷肥和鉀肥施用水平參考當地農民經驗：磷肥總施肥量為40 kg/hm2(以P2O5計)，鉀肥總施肥量為70 kg/hm2(以K2O計)。磷肥、鉀肥作為底肥一次性施入。不同灌溉模式處理的灌溉標準見表2。

2014年早稻生育期試驗典型處理W1N1F1 、W2N1F2排水量分別為1 574和1 020 m3/hm2。在N1施肥模式下，間歇 灌溉W2比常規灌溉W1減少排水35.2%，間歇灌溉W2的稻田排水量明顯減少。典型處理W1N1F1 、W2N1F2對各類污染物的削減率見表3。

表2 不同灌溉模式處理的灌溉標準 mm

注：10～40 mm表示田間水層的下限和上限，下同，80%表示土壤含水率占田間持水率的比例。

表3 2014年早稻生育期典型灌溉處理對各類污染物的削減率

由表3可知，除銨態氮外，間歇灌溉W2比常規灌溉W1各類污染物均有所削減，但削減并不明顯，其主要原因是，由于滲漏和地表排水的引入，導致W2N1F2試驗小區的水質發生了一定變化，致使各類污染物濃度的沒有明顯降低，甚至出現增加。但是在間歇灌溉W2模式下，節水效果良好，且總負荷均有削減，其中總氮削減達1 468.51 g/hm2。然而，為進一步提高試驗精度，觀測過程中還須嚴格控制滲漏以及降雨等因素對污染物濃度的影響，并加強試驗管理。

3.2.2第二道防線——田間草溝

含有氮、磷等污染物的稻田排水由試驗區直接流入田間草溝，根據2014年4-6月期間早稻不同生育期間進出田間草溝的水質分析結果，計算得到總氮、銨態氮、總磷等污染物的削減率，見表4。

表4 2014年早稻生育期田間草溝對各類污染物的削減率

由表4可知，田間草溝出口處總氮、銨態氮、總磷等符合均較進口處均有一定幅度的降低，其中銨態氮最大削減率達17.5%、總氮削減率達15.2%，即田間草溝對稻田排水進行了第一次凈化，污染物得到了一定的去除。但是由于田間草溝的尺寸較小，長度只有96.5 m，導致稻田排水在田間草溝滯留時間較短，凈化效果受到影響。同時，由于當地農民使用除草劑，導致草溝內部分水生植物死亡，也影響了污染物的去除效果。

3.2.3第三道防線——濕地

為保證田間草溝的排水更好的得到凈化，利用當地的現有的塘堰進一步消納各類污染物。根據2014年4-6月期間早稻不同生育期間進出濕地的水質分析結果，計算得到總氮、銨態氮、總磷等污染物的削減率，見表5。

由表5可知，濕地出口處總氮、銨態氮、總磷等負荷均較進口處均有大幅度降低，其中銨態氮最大削減率達57.3%、總氮 削減率達42.8%，即濕地對稻田排水污染物具有較好的祛除效果。分析其削減率不是很高的主要原因：①濕地面積較小，濕地稻田面積比為1∶14，屬于濕地稻田面積比1∶10～1∶50的下限值，對于各類污染物的消納和去除有影響；②濕地平均水深0.45 m，加之總體面積較小，導致水流流速較快，導致水力停留時間較短，使水生植物的吸附和過濾作用未能充分發揮。

表5 2014年早稻生育期濕地對各類污染物的削減率

3.2.4第四道防線——骨干生態溝

結合當地的實際降雨量、蒸發量等數據，根據2014年4-6月期間早稻不同生育期間進出骨干生態溝的水質分析結果，計算得到總氮、銨態氮、總磷等污染物的削減率，見表6。

表6 2014年早稻生育期骨干生態溝對各類污染物的削減率

由表6可知，骨干生態溝出口處總氮、銨態氮、總磷等符合均較進口處有一定程度降低，削減率達30%～55%，即骨干生態溝對稻田排水污染物具有較好的祛除效果。分析其主要原因是：骨干生態溝斷面較大，平均水深達1 m，水流流速較小，為各類污染物的削減提供了良好的條件，同時整個骨干生態溝密閉性和完整性都比較好，減少了外來污染物的干擾，提高了數據的精確性。

3.3 “四道防線”綜合削減效果

“四道防線”中每道防線對總氮、銨態氮、總磷等負荷的削減均有一定效果，各防線協同運行綜合治理效果更為明顯，通過bj=bi+aj(1-bi)(其中：bi、bj分別為上道防線綜合削減率、本道防線綜合削減率，aj為本道防線削減率)計算綜合削減率，見表7。由表7可以看出，銨態氮、總氮削減效果最明顯，分別達到83.5%、70.4%。“四道防線”中，第三道防線的削減率最高，充分說明濕地的沉降和吸附吸收對各類污染物的削減起著積極作用，是“四道防線”凈化效果中最為有效的環節。

表7 “四道防線”綜合削減率 %

4 結 語

農業面源污染已成為我國廣大農村的主要污染源，其治理是一個復合性系統工程，也是改善農村生態環境的重要支撐。本文在突破過去單項技術的基礎上，對稻田面源污染實行系統控制，優化田間水肥管理，構建面源污染的“田間水肥綜合調控-田間草溝-濕地-骨干生態溝”的“四道防線”技術體系，并在廣西桂林市青獅潭灌區和桂林灌溉試驗中心站進行該系統的凈化效果對比試驗。“四道防線”技術體系對水稻灌區水環境的改善顯著，總氮、銨態氮、總磷的削減率分別為 70.4%、83.5%、61.0%。

稻田面源污染“四道防線”系統生態治理模式，不僅豐富了對面源污染處理理論的研究內容，而且對水稻節水灌溉理論體系的發展也有促進作用。為廣西稻田面源污染的削減和其他經濟作物節水灌溉及水肥高效利用提供理論和實踐依據，為建設廣西、美麗漓江，保護漓江流域水生態提供理論依據和技術性對策和建議，具有較高理論和實際應用價值，研究成果不僅適用于廣西地區，在我國南方水稻灌區面源污染治理也具有現實意義。

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